Effect of composition on the structure and properties of Ti-Co-Cr alloys

Efecto de la composición en la estructura y las propiedades de las aleaciones Ti-Co-Cr

El presente trabajo es un estudio de seis aleaciones Ti-Co-Cr as-cast en la región rica en Ti con el propósito de examinar la posibilidad de obtener una nueva fase β-type Ti-alloys. Dos aleaciones experimentales Ti₈₀Co₁₀Cr₁₀ y Ti₇₀Co₁₀Cr₂₀ son casi monofásicas y se identifican como fase bcc β-Ti. También presentan los valores de dureza más bajos y las mejores propiedades de corrosión. El presente estudio indica que la región de las aleaciones ternarias ricas en Ti biomédicamente aceptables se sitúa en las concentraciones más bajas de elementos de aleación, es decir, alrededor del 10 % at de Co y el 20 % at de Cr.

INTRODUCCIÓN

Los biomateriales metálicos son, hasta la fecha, los materiales más adecuados para sustituir tejidos duros fallidos. Los principales biomateriales metálicos son los aceros inoxidables, las aleaciones a base de cobalto y el titanio y sus aleaciones. Entre los materiales mencionados, el titanio y sus aleaciones se han convertido en algunos de los materiales de implante más atractivos debido a su peso ligero, alta resistencia a la biocorrosión, biocompatibilidad y propiedades mecánicas, incluido un módulo bajo. Las aleaciones de titanio tienen un módulo elástico de 100-120 GPa, sólo la mitad que el acero inoxidable 316 (200 GPa) o la aleación Co-Cr-Mo (210 GPa). Sin embargo, el principal problema es la falta de correspondencia entre el módulo elástico del implante de titanio y el del hueso (10-30 GPa) [1, 2]. Por ello, la tendencia reciente en la investigación de aleaciones de titanio para aplicaciones biomédicas es desarrollar aleaciones más biocompatibles, con un módulo más bajo y una mejor conformabilidad, compuestas de elementos no tóxicos [3-5].

El titanio puro presenta una transición alotrópica α→β a 883 °C. El módulo elástico de la fase α-hcp (100-120 GPa) es superior al de la fase β-bcc (60-80 GPa). El diseño de aleaciones de Ti de tipo-β total o parcial mediante la adición de algunos elementos formadores de fase-β fuerte (Nb, Ta, Mo, Zr) o algunos elementos mejoradores de fase - (Cr, Fe, Sn) puede reducir obviamente el módulo elástico. Cuando se reduce el módulo elástico, disminuye la resistencia de la aleación de titanio. Algunos elementos de aleación (Co, Cu, Ni) pueden utilizarse para reforzar las aleaciones [6-8].

En el presente estudio se investigaron las características estructurales, mecánicas y electroquímicas de una serie de aleaciones ternarias ricas en Ti con cobalto y cromo. Considerando que no existen estudios que traten sobre aleaciones Ti-Co-Cr y su potencial uso como biomateriales, el objetivo de este trabajo fue examinar la posibilidad de obtener nuevas aleaciones Ti de tipo-β. Esto puede conseguirse mediante la aleación con cromo como elemento mejorador de la fase-β y con cobalto como reforzante.

MATERIALES Y MÉTODOS

Se prepararon seis aleaciones ternarias ricas en Ti, con adición de cobalto y cromo, en el intervalo de 10 a 30 at. %, a partir de elementos puros (con una pureza superior al 99,9%) utilizando un horno de fusión de arco de laboratorio bajo atmósfera de argón.